崔少飞
陕西中宇交通规划设计有限公司 陕西 西安 710000
摘要：在我国进入21世纪的新时期，随着经济及交通运输业发展，伴随的车辆极端超载问题时有发生。近十几年来国内发生多起独柱墩桥梁倾覆事件，给人民生命财产造成巨大损失。如何对这种桥梁进行加固，防止类似事故再次发生，是公路桥梁管理者必须研究和开展的工作。上海市Ｓ１公路迎宾立交桥为独柱墩形式，在不改变原有受力体系的情况下，通过增设钢盖梁及两侧辅助支座，满足桥梁抗倾覆要求；并在开放交通状态下，利用新增钢盖梁进行同步顶升更换老化支座，进一步验证了结构受力安全和抗倾覆承载能力。该项目的成功实施对国内同类桥梁的抗倾覆加固具有较高的参考价值。
关键词：独柱墩桥梁；抗倾覆加固；预防性加固；同步顶升
引言
受限于工程建设条件及设计理念，我国很多老旧桥梁均采用独柱墩设计。一方面，独柱墩桥梁具有结构设计简单、工程成本较低等优势；另一方面，其稳定性较其他结构设计方式低，容易产生单边倾覆风险。针对上述问题，需要对独柱墩桥梁进行合理加固以防止桥梁损伤、破坏。基于某独柱墩桥梁工程，深入分析了极端荷载作用下该独柱墩桥梁的倾覆可能性，并提出了独柱墩桥梁的抗倾覆验算结果，进一步提出了相应的抗倾覆加固方式及施工过程中的关键技术。基于数值分析，模拟了4种不同工况下独柱墩桥梁的稳定性，并求解了结构自重与二期恒载作用下以及最不利荷载作用下的桥墩各支座反力。基于室内振动试验，深入分析了地震作用对独柱墩桥梁横向稳定性的影响以及地震作用下桥梁抗倾覆稳定性系数的计算方法，并基于研究结果提出桥梁的抗倾覆稳定系数随着汽车荷载的增加而减小的重要结论。以某城市独柱墩匝道桥工程为研究对象，利用有限元软件对桥梁稳定性展开了深入分析，并指出用碳纤维增强复合材料对桥墩进行加固，可有效改善桥墩抗震性能的结论。上述研究多集中在独柱墩桥梁的横向抗倾覆稳定性研究上，而对地震荷载作用下桥梁的纵向稳定性研究较少。本文通过室内设计并制作独柱墩桥梁模型，展开了不同加速度下独柱墩桥梁的振动试验，深入探讨了地震荷载作用下独柱墩桥梁的动力响应特征及纵向变形规律。
1独柱墩的介绍
独柱墩属于桥梁的下部结构，常见于城市道路的跨线桥、立交桥及高速公路互通立交的匝道桥。由于城市交通繁忙、城市及周边建设用地征地受限，在建设时往往要求桥墩落在有限的范围之内。为满足上述要求出现了采用独柱墩替代常规的占地面积较大的双柱式或多柱式桥墩。
2独柱墩桥梁加固方案
2.1振动波形分析
根据加速度传感器检测结果，绘制出6个不同加速度工况下独柱墩桥梁桥面及振动台的加速度时程曲线。受限于文章篇幅，本文仅给出最大加速度（0.255g）工况下桥面纵向与振动台加速度时程曲线，在振动波的作用下，振动台及桥面的振动加速度出现持续的振荡趋势，但随着振动荷载的不断进行，最大加速度幅值不断降低，呈逐渐衰减趋势。这是因为输入的振动波能量不断被桥梁结构消耗，导致振动加速度峰值越来越小。
2.2施工要点
了解设计意图，正确理解结构的特点及关键点，是保证加固效果的前提。本方案是钢抱箍加牛腿结构，采用高强化学锚栓将钢抱箍固定于原来墩柱上，牛腿上承担的荷载通过抱箍传递至墩柱。根据上部荷载的大小，钢盖梁的受力模式为：摩擦受力（当荷载较小时）—滑动（荷载大于摩擦力）—锚栓杆受力（荷载通过钢抱箍传至锚栓杆）。
在实际应用中，当上部荷载较大时有很多失败的例子，原因如下：当在现状钢筋混凝土结构上钻孔种植化学锚栓时，各种不可控制因素造成锚栓杆与抱箍板之间存在大小不一的间隙，如果上部荷载较大，超过摩擦力，抱箍会产生向下的滑动，一部分距离较近的锚栓先受力，并非全部锚栓共同受力，这时可能会造成锚栓依次破坏，从而造成整个结构变形过大，导致结构失去稳定性。综合分析，当抱箍板将滑未滑时，如果锚栓杆能同时参与受力，将大大提高结构的承载能力，因此提高结构的整体性是保证必要承载力的关键。如何才能提高钢盖梁整体受力性能，我们采取以下技术措施来提高结构的整体性：（１）为保证钢盖梁足够的强度、刚度和控制变形。施工前根据实际情况对钢盖梁进行了有限元分析，根据计算结果进一步复核、确定各部分钢板尺寸。（２）为保证人工钻孔的水平度、垂直度，及化学锚栓的种植质量，加强新增结构与原来墩柱的整体性。（３）为保证锚栓群能够整体受力，必须确保钢抱箍与锚固螺栓贴实紧密。我们研发了传力小钢板（已申请专利）来连接钢抱箍与锚固螺栓，以确保每一根锚杆能同时承受抱箍传来的力。（４）为提高锚栓群之间与钢抱箍、墩柱混凝土之间的整体性，采用ＢＹ（Ｓ）－Ｙ１００快硬无收缩材料，在钢抱箍与立柱之间注浆（已申请专利），依靠注浆材料之间的黏结咬合作用连接原立柱、锚栓、钢抱箍，提高结构的整体性。本项目采取一系列技术措施来提高结构的整体性及钢盖梁的承载力，对施工要求非常高，必须落实每个措施。可靠的质量来自高素质、稳定的施工队伍和良好的管理水平，对专业队伍要求很高，只有每个环节都落实到位，才能保证工程安全顺利进行。
2.3施工质量管控
施工质量管控的要点如下。（1）钻孔，按设计要求的直径钻孔，钻孔深度应略深于锚筋的埋设深度，钻孔时应避开结构原有的钢筋，孔道应保证顺直。（2）清理钻孔：利用压缩空气清孔，用硬毛刷刷3遍，吹3遍，确保孔壁无尘干燥。（3）锚栓安装：锚栓采用后扩底锚栓，锚栓安装入锚孔后，通过敲击锚栓套管使锚栓的扩张结构使之在底部扩孔的过程中扩张，保证扩张结构填满底部已扩张的空间。锚栓钢筒安装到位后，再安装锚固件。（4）拉杆安装，施工时须结合温度和联长，适当调整上下锚固钢板在顺桥方向的位置，确保梁体不产生因温度变化而形成的附加内力。
结语
桥梁倾覆破坏为瞬时行为，类似于结构“脆性”破坏，防范困难、经济损失大，且会造成非常恶劣的社会影响，应引起从业人员的高度重视。本文通过对独柱墩桥梁的抗倾覆研究得出以下结论及建议:(1)为防止桥梁的倾覆，桥梁设计时应优先考虑设置多支座的墩型，同时尽可能拉大支座间距；对于没有条件设置多支座墩型的桥梁，可以考虑设置合理的支座预偏心。支座布置需结合平面曲线半径综合考虑，使各支座尽量远离倾覆轴线，增大桥梁的横向抗倾覆系数。钢箱梁或钢混组合梁等容重相对较小的桥型，需要特别注意桥梁的抗倾覆问题。(2)汽车超载已经成为使桥梁倾覆垮塌最严重的问题，桥梁都是依据规范设计的，用无限制的提高设计标准来解决汽车超载所带来的影响是不合理也是不经济的。相关管理部门要严格限制超载、超限车辆的通行，应严格控制货车的排队间距，避免横向倾覆效应超越规范荷载，从而减少对桥梁结构安全造成不利影响。(3)既有倾覆风险桥梁的加固改造，是一件十分必要且紧迫的任务。桥梁防倾覆加固设计需要综合考虑上下部结构的安全和稳定，不能为了确保上部结构的抗倾覆，而将风险转移，导致下部结构的破坏。
参考文献
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